了解运算放大器电路中的功耗设计

[Barley_Li]

首先，我们讨论具有低静态电流 (IQ) 的放大器以及增加反馈网络电阻值与功耗的关系。

让我们首先考虑一个可能需要关注功率的示例电路：电池供电的传感器在 1kHz 时生成 50mV 幅度和 50mV 偏移的模拟正弦信号。信号需要放大到 0V 至 3V 的范围以进行信号调节（图 1），同时要尽可能节省电池电量，这将需要增益为 30V/V 的同相放大器配置， 如图 2 所示。那么，我们应该如何来优化该电路的功耗呢？

图 1 : 示例电路中的输入及输出信号（图片来源: Texas Instruments）

图 2：传感器放大电路（图片来源: Texas Instruments）

运算放大器电路的功耗由多种因素组成，分别是静态功率、运算放大器输出功率和负载功率。静态功率 (或简称 P_Quiescent) 是保持放大器开启所需的功率，数据表中一般以 I_Q（静态电流）表示，例如下图中 Texas Instruments OPA391 规格书中的显示。

图3：TI OPA391运放的静态电流 (图片来源: Texas Instruments)

输出功率 ( P_Output )是运算放大器输出级驱动负载时消耗的功率。最后，负载功率 ( P_Load )是负载本身消耗的功率。

在本例中，我们有一个单电源运算放大器，其正弦输出信号具有直流电压偏移。因此，我们将使用以下等式来计算总平均功率 (P_{total avg}) 。电源电压由V+表示， V_off 是输出信号的直流偏移，V_amp是输出信号的幅度，R_Load 是运算放大器的总负载电阻。需要留意的，平均总功率与 I_Q 直接相关成正比，而与 R_Load 成反比。

选择具有合适 I_Q 的元器件

由于从以上公式5和6中有多个可变项，在选料时最好只考虑一项。选择具有低 I_Q 的放大器是降低整体功耗的最直接策略。当然，在这个过程中有一些权衡。例如，具有较低 I_Q 的设备通常具有较低的带宽、较大的噪声并且可能更难以稳定。

由于不同类型的运算放大器的 I_Q 可能存在倍数级的差异，因此花时间选择合适的放大器是值得的。以下引用 TI TLV9042、OPA2333、OPA391 和 TLV8802作比较。单纯从数字上的分析，对于需要最大功率效率的应用，TLV8802 将是一个很好的选择。

表1 : 各类低功耗运算放大器比较表

降低负载网络的电阻值

现在继续考虑公式 5 和 6 中的其余项。 V_amp 项相互抵消，对 P_total,avg 和 V_off 没有影响，通常由应用中预先确定。换句话说，系统无法使用Voff来降低功耗。类似地，V+ 轨电压通常由电路中可用的电源电压设置。另外，R_Load 也是由应用预先确定的。但是，R_Load 是包括任何负载输出的组件，而不仅是负载电阻器 RL。在图 1 所示电路的情况下，R_Load 将包括 R_L 和反馈组件 R1 和 R2。因此，R_Load 将由等式7和8定义如下。

通过增加反馈电阻的值，系统中放大器的输出功率亦相应降低。当P_output 支配 P_Quiescent 时，此技术特别有效，但也有其局限性。如果反馈电阻变得明显大于 R_L，则 R_L 将主导 R_Load，从而使功耗停止下降。大反馈电阻器还会与放大器的输入电容相互作用，使电路不稳定并产生明显的噪声。

为了最大限度地减少这些组件的噪声产生，最好将在每个运算放大器输入端（见下图4）看到的等效电阻的热噪声与放大器的电压噪声频谱密度进行比较。经验法则是确保放大器的输入电压噪声密度规格至少是从放大器的每个输入端观察到的等效电阻的电压噪声的三倍。

图4：电阻器热噪声（图片来源: Texas Instruments）

现实世界中的例子

使用这些低功耗设计技术，让我们回到最初的问题：在 1kHz 下生成 0 到 100mV 模拟信号的电池供电传感器需要 30V/V 的信号放大率。下图5比较了两种设计。左侧的设计使用典型的 3.3V 电源、尺寸不考虑节能的电阻器和 TLV9002 通用运算放大器。右侧的设计使用更大的电阻值和更低功耗的 TLV9042 运算放大器。请注意，当 TLV9042 反相输入端等效电阻约为 9.667kΩ 時，噪声频谱密度是少于放大器的宽带噪声的三分之一，以确保运算放大器的噪声在电阻器产生的任何噪声中占主导地位。

图5：典型设计与细微的设计（图片来源: Texas Instruments）

使用图5中的值、设计规范和两款运算放大器的规格，可以利用公式6分别得出 TLV9002 设计和 TLV9042 设计的 Pt_otal,avg。结果分别显示于公式 9 和 10 。

从以上结果得出，TLV9002 设计的功耗是 TLV9042 设计的四倍多。这是较高放大器 I_Q 的结果，亦显示利用高 I_Q 的运算放大器，就算尝试使用低反馈电阻值的情况下，亦不会有显著的功耗节省。以上例子我们有两个技巧，就是增加电阻值和选择具有较低静态电流的运算放大器。这两种策略在大多数运算放大器应用中都可用。

使用低电压轨省电

再重温公式 1 和 6 定义具有正弦信号和直流偏移电压的单电源运算放大器电路的平均功耗：

另外，从公式6中的V+是代表线路的电源轨 (V+)，它是直接与功耗成正比，所以将电源轨 (V+)设置为电路中最低可用的电源电压，这也是一个降低功耗的方法。许多运算放大器的最低电源电压范围为 2.7V 或 3.3V。之所以有此限制的原因，与将内部晶体管维持在所需工作范围内所需的最低电压有关。一些运算放大器设计用于低至 1.8V 甚至更低的电压。例如，TLV9042 通用运算放大器可以在 1.2V 电压轨下工作。